three.js光源与材质(一)

Posted by 姚飞亮 on 2019-01-17

three.js光源与材质(一)

世界有了光,就不在黑暗

宇宙间的物体有的是发光的,有的是不发光的,我们把发光的物体叫做光源。太阳、电灯、燃烧着的蜡烛等都是光源。

在Threejs的世界里,有了光,就不会在黑暗。

Threejs中的各种光源

作为3D技术的发展趋势,浏览器端3D技术越来越被一些技术公司重视。由此,Threejs非常注重3D渲染效果的真实性,对渲染真实性来说,使用光源是比不可少的技巧。Threejs,在光源方面提供了多种光源供选择。

1、 光源基类

在Threejs中,光源用Light表示,它是所有光源的基类。它的构造函数是:

THREE.Light ( hex )

它有一个参数hex,接受一个16进制的颜色值。例如要定义一种红色的光源,我们可以这样来定义:

Var redLight = new THREE.Light(0xFF0000);

2、 由基类派生出来的其他种类光源

THREE.Light只是其他所有光源的基类,要让光源除了具有颜色的特性之外,我们需要其他光源。看看,下面的类图,是目前光源的继承结构。

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graph TD
A[THREE.Light] --> B(THREE.AmbientLight 环境光)
A[THREE.Light] --> C(THREE.PointLight 点光源)
A[THREE.Light] --> D(THREE.SpotLight 聚光灯)
A[THREE.Light] --> E(THREE.AreaLight 区域光)
A[THREE.Light] --> F(THREE.DirectionalLight 方向光)

可以看出,所有的具体光源都继承与THREE.Light类。下面我们来具体看一下,其他光源。

环境光 THREE.AmbientLight

环境光是经过多次反射而来的光称为环境光,无法确定其最初的方向。环境光是一种无处不在的光。环境光源放出的光线被认为来自任何方向。因此,当你仅为场景指定环境光时,所有的物体无论法向量如何,都将表现为同样的明暗程度。 (这是因为,反射光可以从各个方向进入您的眼睛)

环境光用THREE.AmbientLight来表示,它的构造函数如下所示:

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THREE.AmbientLight( hex )

它仍然接受一个16进制的颜色值,作为光源的颜色。环境光将照射场景中的所有物体,让物体显示出某种颜色。环境光的使用例子如下所示:

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var light = new THREE.AmbientLight( 0xff0000 );

scene.add( light );

只需要将光源加入场景,场景就能够通过光源渲染出好的效果来了。

点光源 THREE.PointLight

点光源:由这种光源放出的光线来自同一点,且方向辐射自四面八方。例如蜡烛放出的光,萤火虫放出的光。

点光源用PointLight来表示,它的构造函数如下所示:

PointLight( color, intensity, distance )

这个类的参数稍微复杂一些,我们花点时间来解释一下:
Color:光的颜色
Intensity:光的强度,默认是1.0,就是说是100%强度的灯光,
distance:光的距离,从光源所在的位置,经过distance这段距离之后,光的强度将从Intensity衰减为0。 默认情况下,这个值为0.0,表示光源强度不衰减。

聚光灯 THREE.SpotLight

聚光灯:这种光源的光线从一个锥体中射出,在被照射的物体上产生聚光的效果。使用这种光源需要指定光的射出方向以及锥体的顶角α。聚光灯示例如图所示:

聚光灯的构造函数是:
THREE.SpotLight( hex, intensity, distance, angle, exponent )

函数的参数如下所示:
Hex:聚光灯发出的颜色,如0xFFFFFF
Intensity:光源的强度,默认是1.0,如果为0.5,则强度是一半,意思是颜色会淡一些。和上面点光源一样。
Distance:光线的强度,从最大值衰减到0,需要的距离。 默认为0,表示光不衰减,如果非0,则表示从光源的位置到Distance的距离,光都在线性衰减。到离光源距离Distance时,光源强度为0.
Angle:聚光灯着色的角度,用弧度作为单位,这个角度是和光源的方向形成的角度。
exponent:光源模型中,衰减的一个参数,越大衰减约快。

区域光

THREE.AreaLight

方向光

THREE.DirectionalLight

材质与光源的关系

材质与光源有什么关系,这是一个容易傻傻分不清的问题。在没有深入讲解前,我们只能说它们是相互联系,相互依托的关系。
1、 材质的真相
材质就是物体的质地。我们可以用撤分文字的方法来理解。材质就是材料和质感的完美结合。
如果你还不理解,那么看看下面我引用的这段话:
在渲染程序中,它是表面各可视属性的结合,这些可视属性是指表面的色彩、纹理、光滑度、透明度、反射率、折射率、发光度等。正是有了这些属性,才能让我们识别三维中的模型是什么做成的,也正是有了这些属性,我们计算机三维的虚拟世界才会和真实世界一样缤纷多彩。 
这就是材质的真相吗?答案是否定的。不要奇怪,我们必须仔细分析产生不同材质的原因,才能让我们更好的把握质感。那么,材质的真相到底是什么呢?仍然是光,离开光材质是无法体现的。举例来说,借助夜晚微弱的天空光,我们往往很难分辨物体的材质,因为他们很多都表现出黑色,我们难以区分是铝合金,还是塑料的。而在正常的照明条件下,则很容易分辨。另外,在彩色光源的照射下,我们也很难分辨物体表面的颜色,在白色光源的照射下则很容易。这种情况表明了物体的材质与光的微妙关系。下面,我们将具体分析两者间的相互作用。

不带任何光源的物体

我们首先在屏幕上画一个物体,不带任何的光源,定义物体的颜色为黑色,其值为0x000000,定义材质如下:

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var material = new THREE.MeshLambertMaterial( { color:0x000000} ); 
// 这是兰伯特材质,材质中的一种

先看看最终的运行截图,如下所示:

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<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>Three框架</title>
<script src="/javascripts/three.min.js"></script>
<script src="/javascripts/stats.min.js"></script>
<script src="/javascripts/Tween.min.js"></script>
<style>
body { margin: 0; }
canvas { width: 100%; height: 100% }
</style>
</head>
<body>
<script>
var renderer;
var stats;
function initThree() {
renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true });
renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );
renderer.setClearColor(0xFFFFFF, 1.0);
document.body.appendChild( renderer.domElement );

stats = new Stats();
//stats.setMode(1); // 0: fps, 1: ms
stats.domElement.style.position = 'absolute';
stats.domElement.style.left = '0px';
stats.domElement.style.top = '0px';
document.body.appendChild(stats.domElement);
}
var camera;
function initCamera() {
camera = new THREE.PerspectiveCamera( 45, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 10000 );
camera.position.x = 0;
camera.position.y = 0;
camera.position.z = 600;
}
var scene;
function initScene() {
scene = new THREE.Scene();
}

var light;
function initLight() {
/*light = new THREE.AmbientLight(0xFF0000);
light.position.set(100, 100, 200);
scene.add(light);*/

// light = new THREE.PointLight(0xFF0000);
// light.position.set(0, 0,300);
// scene.add(light);

/*light = new THREE.SpotLight(0xFFFFFF,0.5,10000);
light.position.set(100, 100, 200);
scene.add(light);*/
}

var cube;
function initObject() {
/*var geometry = new THREE.CylinderGeometry( 100,150,400);
var material = new THREE.MeshLambertMaterial( { color:0xFFFF00} );
var mesh = new THREE.Mesh( geometry,material);
mesh.position = new THREE.Vector3(0,0,0);

var tween = new TWEEN.Tween( mesh.position)
.to( { x: -400 }, 3000 ).repeat( Infinity ).start();
scene.add(mesh);*/

var geometry = new THREE.CubeGeometry( 200, 100, 50,4,4);
var material = new THREE.MeshLambertMaterial( { color:0xFFFFFF} );
var mesh = new THREE.Mesh( geometry,material);
mesh.position = new THREE.Vector3(0,0,0);
scene.add(mesh);
}
function threeStart() {
initThree();
initCamera();
initScene();
initLight();
initObject();
animation();
}


function animation()
{
//camera.position.x =camera.position.x +1;
renderer.render(scene, camera);
requestAnimationFrame(animation);
stats.update();
TWEEN.update();
}

threeStart();
</script>
</body>
</html>

现在我们来解析一下:
1、 在A处,关于灯光的代码,什么也没有做。也就是Threejs中没有添加任何灯光。
2、 在B处,我们使用了兰伯特材质,并将这种材质赋予了黑色,所以,你才会发现最后的效果是黑色。如果,我们把材质颜色设置为红色,那么物体是不是就会显示红色呢?

答案是否定的,这是因为,在场景中没有任何光源的情况下,物体不能反射光源到人的眼里,所以物体应该是黑色的。这与物体的材质颜色几乎没有关系。打个比方,在月高风黑夜,伸手不见五指的夜晚,一群穿着彩衣的美女在你面前跳舞,你能分辨出他们是穿的彩色衣服吗?不能。

结论:当没有任何光源的时候,最终的颜色将是黑色,无论材质是什么颜色。

兰伯特材质与光源

最常见的材质之一就是Lambert材质,这是在灰暗的或不光滑的表面产生均匀散射而形成的材质类型。比如一张纸就是Lambert表面。 首先它粗糙不均匀,不会产生镜面效果。我们在阅读书籍的时候,没有发现书上一处亮,一处不亮吧,它非常均匀,这就是兰伯特材质。
有的朋友觉得纸不粗糙啊,你怎么说它粗糙吗?人的肉眼是不好分辨出来,它粗不粗糙的。
Lambert材质表面会在所有方向上均匀地散射灯光,这就会使颜色看上去比较均匀。想想一张纸,无论什么颜色,是不是纸的各个部分颜色都比较均匀呢。
Lambert材质的图例如下所示:

Lambert材质会受环境光的影响,呈现环境光的颜色,与材质本身颜色相互作用。
我们现在来做一个例子
例子:红色环境光照射下的长方体,它用的是淡红色(0x880000)的兰伯特材质。效果如下图:

我们来看看代码,这里不存在环保问题,所以,我把所有代码都列出来了。

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<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>Three框架</title>
<script src="/javascripts/three.min.js"></script>
<script src="/javascripts/stats.min.js"></script>
<script src="/javascripts/Tween.min.js"></script>
<style>
body { margin: 0; }
canvas { width: 100%; height: 100% }
</style>
</head>
<body>
<script>
var renderer;
var stats;
function initThree() {
renderer = new THREE.WebGLRenderer({ antialias: true });
renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );
renderer.setClearColor(0xFFFFFF, 1.0);
document.body.appendChild( renderer.domElement );

stats = new Stats();
//stats.setMode(1); // 0: fps, 1: ms
stats.domElement.style.position = 'absolute';
stats.domElement.style.left = '0px';
stats.domElement.style.top = '0px';
document.body.appendChild(stats.domElement);
}
var camera;
function initCamera() {
camera = new THREE.PerspectiveCamera( 45, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 10000 );
camera.position.x = 0;
camera.position.y = 0;
camera.position.z = 600;
}
var scene;
function initScene() {
scene = new THREE.Scene();
}

var light;
function initLight() {
/*light = new THREE.AmbientLight(0xFF0000);
light.position.set(100, 100, 200);
scene.add(light);*/

// light = new THREE.PointLight(0xFF0000);
// light.position.set(0, 0,300);
// scene.add(light);

/*light = new THREE.SpotLight(0xFFFFFF,0.5,10000);
light.position.set(100, 100, 200);
scene.add(light);*/
// A start
light = new THREE.AmbientLight(0xFF0000);
light.position.set(100, 100, 200);
scene.add(light);
// A end
}

var cube;
function initObject() {
/*var geometry = new THREE.CylinderGeometry( 100,150,400);
var material = new THREE.MeshLambertMaterial( { color:0xFFFF00} );
var mesh = new THREE.Mesh( geometry,material);
mesh.position = new THREE.Vector3(0,0,0);

var tween = new TWEEN.Tween( mesh.position)
.to( { x: -400 }, 3000 ).repeat( Infinity ).start();
scene.add(mesh);*/

var geometry = new THREE.CubeGeometry( 200, 100, 50,4,4);
var material = new THREE.MeshLambertMaterial( { color:0x880000} );
var mesh = new THREE.Mesh( geometry,material);
mesh.position = new THREE.Vector3(0,0,0);
scene.add(mesh);
}
function threeStart() {
initThree();
initCamera();
initScene();
initLight();
initObject();
animation();
}


function animation()
{
//camera.position.x =camera.position.x +1;
renderer.render(scene, camera);
requestAnimationFrame(animation);
stats.update();
//TWEEN.update();
}

threeStart();
</script>
</body>
</html>

我们现在一直在使用环境光,从环境光的构造函数来看,它只有颜色,其位置对场景中的物体并没有影响,因为他是均匀的反射到物体的表面的。
材质本身的颜色。黑色最强(000000),白色最弱(FFFFFF),如果环境光比材质的颜色还强的话就显示环境光的颜色,如果是材质的颜色比较强的话那么就显示的材质的光。
(RGB色拆分)
我理解的材质颜色:材质在白色光中呈现的颜色
我理解的材质颜色原理:白色光源经过材质过滤后,不能被吸收掉的颜色(可拆分为RGB色)
再举例说明一下:
例1:如果光源为000000,那么不管什么材质,颜色都是000000,因为没有光(RGB)进入材质,也就不存在光被过滤的情况,所以看到是黑色
例2:如果光源为红色FF0000,材质为888888,光源经过材质过滤,因为R色FF比88强,而材质最强只能反射88的R光,多余的R光会被材质吸收掉,而光源中G和B根本就没,所以材质不会存在G和B光,即呈现880000
例3:如果光源为888888,材质为FF0000,因光源R部分比材质弱,即使材质吸收G光的能力为0,所以反射的R光为88,同理GB被材质吸收,反射00,最后呈现880000
(结论:呈现颜色=材质颜色+光源颜色的并集(即取小),即FF0000 U 888888 = 880000)
RGB色取拆分后,再取各自的:并集、并集、并集

环境光对物体的影响

环境光就是在场景中无处不在的光,它对物体的影响是均匀的,也就是无论你从物体的那个角度观察,物体的颜色都是一样的,这就是伟大的环境光。
你可以把环境光放在任何一个位置,它的光线是不会衰减的,是永恒的某个强度的一种光源。



Ω